何宇 韓堅(jiān)

摘 要：外加電流陰保護(hù)技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油、船舶、橋梁等行業(yè)，能有有效預(yù)防金屬腐蝕。本文將外加陰電流極保護(hù)技術(shù)應(yīng)用于強(qiáng)腐蝕土壤地區(qū)變電站接地網(wǎng)防腐中，通過對(duì)外加電流陰極保護(hù)技術(shù)的作用機(jī)理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的詳細(xì)介紹，闡明外加電流陰極保護(hù)技術(shù)應(yīng)用于接地網(wǎng)防腐的技術(shù)可行和經(jīng)濟(jì)合理性，為腐蝕性地區(qū)變電站接地網(wǎng)的防腐工作提供參考。

關(guān)鍵詞：外加電流陰極保護(hù)技術(shù)；變電站接地網(wǎng)；防腐方法

江西省土壤具有紅壤的典型特征：氯離子含量、含鹽量極低，PH值呈酸性。酸性紅壤由于鹽基性離子的大量淋失，土壤導(dǎo)電性能很低，電阻率一般在100Ω·m以上，易溶性的氯離子等更是最先淋濕，含量極低。按照一般規(guī)律，這種土壤中金屬腐蝕速度應(yīng)該很低。然而，國(guó)內(nèi)幾個(gè)酸性土壤實(shí)驗(yàn)站中不少金屬材料腐蝕狀況都在中等以上，有些甚至達(dá)到強(qiáng)腐蝕等級(jí)，其中碳鋼等材料表現(xiàn)得最為明顯。另有調(diào)查研究表明，酸性土壤對(duì)金屬材料具有更高的腐蝕性，腐蝕率約為中性土壤的5～10倍。由此可知，江西省境內(nèi)容易出現(xiàn)變電站接地網(wǎng)腐蝕的問題。

1 研究目的

陰極保護(hù)技術(shù)是電化學(xué)保護(hù)技術(shù)的一種，其原理是向被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)物表面施加一個(gè)外加電流，使被保護(hù)結(jié)構(gòu)物成為陰極，從而使得金屬腐蝕發(fā)生的電子遷移得到抑制，避免或減弱腐蝕的發(fā)生。近年來，電網(wǎng)對(duì)材料腐蝕的要求日益提高，因此，本文提出將外加電流陰極保護(hù)技術(shù)應(yīng)用于變電站地網(wǎng)防腐方面，并闡述其應(yīng)用原理。

2 作用機(jī)理

2.1 接地網(wǎng)腐蝕機(jī)理

接地網(wǎng)在土壤中的腐蝕主要為電化學(xué)腐蝕，包括微電池腐蝕和氧濃差電池腐蝕。這兩種腐蝕均由陰陽(yáng)極反應(yīng)組成：

陽(yáng)極反應(yīng)：Fe-2e-→Fe2+

陰極反應(yīng)：2H2O+O2+4e-→4OH-

陽(yáng)極表面的鐵失去電子生成鐵離子，進(jìn)而與土壤中的負(fù)離子結(jié)合生成鐵銹；陰極表面土壤中的氧和水得到電子生成氫氧根。

2.2 外加電流陰極保護(hù)技術(shù)防腐原理

本文將外加電流陰極保護(hù)應(yīng)用于接地網(wǎng)防腐，外加電流陰極保護(hù)主要由外加直流電源、輔助陽(yáng)極、參比電極華為測(cè)試樁組成，其作用原理為：接地網(wǎng)與直流電源的負(fù)極相連，輔助陽(yáng)極與正極相連，形成電源-接地網(wǎng)-土壤-輔助陽(yáng)極回路，從而向接地網(wǎng)供應(yīng)大量電子，使之陰極極化，抑制腐蝕的發(fā)生。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 保護(hù)電流設(shè)計(jì)

保護(hù)電流即為外加電源供給接地網(wǎng)的直流電流，為使接地網(wǎng)得到充分的陰極保護(hù)，并指導(dǎo)設(shè)備和材料選型，首先應(yīng)估算保護(hù)電流的大小。依據(jù)DL/T 5394-2007，變電站接地網(wǎng)所需保護(hù)電流大小計(jì)算式為：

其中：i——保護(hù)電流密度，mA/m2（依據(jù)DL/T 5394-2007相關(guān)經(jīng)驗(yàn)值，及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況和前期試驗(yàn)情況選?。?；S——保護(hù)面積，m2（地網(wǎng)材料總表面積+裕量）

3.2 恒電位儀選型

根據(jù)計(jì)算得出的保護(hù)電流值，結(jié)合恒電位儀的最大輸出電流和最大輸出電壓，即可進(jìn)行恒電位儀選型。

3.3 輔助陽(yáng)極選型

輔助陽(yáng)極應(yīng)采用性能穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、消耗率低的成熟產(chǎn)品；對(duì)于江西常見的酸性土壤地區(qū)，宜采用貴金屬氧化物陽(yáng)極或含鉻高硅鑄鐵陽(yáng)極。

3.4 輔助陽(yáng)極接地電阻估算

由于大多數(shù)變電站接地網(wǎng)的接地電阻值均較低，因此陽(yáng)極接地電阻是整個(gè)陰?；芈分凶钪匾牟糠?，預(yù)估單口陽(yáng)極井的接地電阻可指導(dǎo)陽(yáng)極和恒電位儀的選型。

3.5 輔助陽(yáng)極井?dāng)?shù)量設(shè)計(jì)

為盡量使陰保電流沿地網(wǎng)均勻分布，輔助陽(yáng)極井也應(yīng)沿變電站地網(wǎng)周圍均勻分布，為便于設(shè)計(jì)調(diào)整，需預(yù)先計(jì)算出輔助陽(yáng)極井?dāng)?shù)量，計(jì)算式如下：

其中：N——輔助陽(yáng)極數(shù)量；R1——單口陽(yáng)極井接地電阻，Ω；U——恒電位儀最大輸出電壓，由恒電位儀選型結(jié)果而定，V；I——保護(hù)電流設(shè)計(jì)值，A；R0——接地電阻值，實(shí)測(cè)值，Ω。

3.6 輔助陽(yáng)極壽命計(jì)算

當(dāng)接地網(wǎng)得到充分保護(hù)時(shí)，扁鋼幾乎不發(fā)生腐蝕，因此輔助陽(yáng)極的使用壽命即可較大程度地反映整個(gè)接地系統(tǒng)的壽命。計(jì)算公式如下：

其中：T——陽(yáng)極使用壽命，a；G——陽(yáng)極重量，kg；K——陽(yáng)極利用系數(shù)，取0.7～0.85；g——陽(yáng)極消耗率，商品參數(shù)或?qū)崪y(cè)值，kg/（A·a）；Iw——單陽(yáng)極電流，保護(hù)電流分?jǐn)傊羻侮?yáng)極，A。

3.7 外加電流方案設(shè)計(jì)

確定了恒電位儀、輔助陽(yáng)極等相關(guān)參數(shù)后，即可設(shè)計(jì)外加電流的方案。保護(hù)電流應(yīng)盡量均勻的分布在地網(wǎng)上，并重點(diǎn)照顧一次設(shè)備區(qū)；陽(yáng)極井選址應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查情況確定，盡量均勻地分布在地網(wǎng)外沿；電纜應(yīng)盡量利用變電站原有電纜溝布置，新開挖的電纜溝不應(yīng)影響電網(wǎng)安全運(yùn)行；恒電位儀宜安裝在控制室內(nèi)。

3.8 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

變電站外加電流陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)一般由測(cè)試樁和參比電極組成，一般安裝于電流注入點(diǎn)附近、陽(yáng)極中間點(diǎn)附近、重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域等，有條件時(shí)可設(shè)置遠(yuǎn)程無線監(jiān)測(cè)裝置。參比電極可選用Cu/CuSO4電極或極化探頭，測(cè)試樁應(yīng)具有保護(hù)電位、自然電位、保護(hù)電流等參數(shù)的功能，同時(shí)為恒電位儀提供控制信號(hào)。

4 結(jié)論

外加電流陰極保護(hù)技術(shù)作為強(qiáng)腐蝕性土壤地區(qū)變電站接地網(wǎng)中一項(xiàng)有效防腐措施，對(duì)接地網(wǎng)的保護(hù)和耐久性的保證起著良好的作用。且外加電流陰極保護(hù)技術(shù)施工規(guī)模小、地網(wǎng)防腐效果好，能夠防腐蝕于未然，有著廣泛的應(yīng)用前景。

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